Pełne naładowanie w 18 sekund? ! Koniec z martwieniem się o wyjście z domu i wyczerpanie się baterii...

Telefony komórkowe, komputery, tablety itp., które wykorzystują baterie jako źródło energii, stały się częścią naszego życia, a coraz więcej osób zaczyna cierpieć na „lęki przed elektryką”, jednocześnie rośnie popularność nowych pojazdów napędzanych energią elektryczną. coraz trudniej było ludziom ładować długie akumulatory – szybciej! Ładuj baterię trochę szybciej! Stało się to powszechnym życzeniem wszystkich.

To życzenie może wkrótce się spełnić. Niedawno zespół Song Li, profesora w Narodowym Laboratorium Promieniowania Synchrotronowego na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Chinach, opracował akumulator z możliwością szybkiego ładowania.

 

Dziś porozmawiamy więcej o tych badaniach.

 

Bateria litowo-jonowa jest powszechnie uznanym urządzeniem magazynującym energię. Dzięki zaletom dużej gęstości energii i szerokiemu zakresowi temperatur pracy, akumulatory litowo-jonowe zajmują zdecydowaną większość akumulatorów dostępnych na rynku. Jednakże stosowany elektrolit organiczny ma pewną szkodę dla organizmu ludzkiego, a niedobór zasobów litu doprowadzi w przyszłości do niedoboru rynku akumulatorów.

 

Bateria cynkowo-jonowa, jako nowy talent w dziedzinie magazynowania energii, charakteryzuje się nie tylko wysoką teoretyczną gęstością energii, ale także posiada nietoksyczny elektrolit wodny, zapewniający bezpieczną i wydajną produkcję oraz zastosowanie. Ponadto tanie i obfite zasoby cynku również znacznie zmniejszają koszty użytkowania akumulatorów i oczekuje się, że w przyszłości staną się potencjalnym zamiennikiem akumulatorów litowo-jonowych.

Mimo wielu różnic w zastosowaniu materiałów, stan pracy akumulatorów cynkowo-jonowych i litowo-jonowych w procesie ładowania i rozładowywania jest bardzo podobny.

 

Materiał katody akumulatora jest często warstwowy: podczas procesu rozładowywania akumulatora jony litu (lub jony cynku) zostaną osadzone w warstwie materiału katody w celu przechowywania; Podczas procesu ładowania akumulatora jony litu (lub jony cynku) ulatniają się z dodatniej warstwy materiału i wracają do elektrody ujemnej.

Ogólnie zasadą działania baterii jest proces migracji jonów i przenoszenia elektronów.

Zasada szybkiego ładowania akumulatora

Jak w tym badaniu naukowym osiąga się szybkie ładowanie akumulatora?

 

1. Poszerzanie kanałów transportu jonów

 

Jak wspomniano powyżej, proces ładowania i rozładowywania akumulatorów cynkowo-jonowych jest procesem ciągłej migracji jonów. Jeśli chcesz przechować jak najwięcej pojemności baterii w krótkim czasie, musisz stworzyć dużą przestrzeń do przechowywania jonów cynku.

 

W pierwszej kolejności badacze skupili się na warstwowych materiałach z pięciotlenku wanadu o regulowanej strukturze przestrzennej. Struktura warstwowego pięciotlenku wanadu wygląda tak, jakby była ułożona z wielu równoległych płytek. Aby zwiększyć odstęp między warstwami warstwowego materiału katody, można wstępnie interkalować większe jony amonowe. Ma to na celu wcześniejsze dodanie kilku filarów pomiędzy tymi warstwami, aby zwiększyć odstępy między warstwami.

 

Dzięki wsparciu jonów amonowych jony cynku mogą łatwiej migrować w materiale elektrody dodatniej, a większa przestrzeń międzywarstwowa może również skutecznie poprawić zdolność magazynowania energii akumulatora.

 

 

2. Od dostosowania zajęcia orbity do przyspieszenia transferu elektronów

Należy wiedzieć, że proces magazynowania energii w akumulatorze jest ściśle powiązany z migracją jonów i transferem elektronów. Kiedy jony cynku dostaną się do warstwy materiału katody w celu przechowywania, część elektronów również zostanie przeniesiona do materiału katody, aby utrzymać ogólny bilans ładunku. Dlatego bardzo ważne jest również badanie wpływu jonów interkalowanych na strukturę elektronową materiałów warstwowych.

 

Jednak konwencjonalne metody badawcze są trudne do jednoznacznego zbadania wewnętrznych struktur atomowych i elektronowych materiałów. Dlatego do wykrywania potrzebne są bardziej zaawansowane techniki charakteryzowania promieniowania synchrotronowego. Mówiąc najprościej, technologię promieniowania synchrotronowego można rozumieć jako udoskonaloną wersję „supermikroskopu”, wykorzystującą jego wysoką jasność i charakterystykę szerokopasmową do obserwacji wewnętrznej struktury materii.

Korzystając z tej techniki, badacze zbadali zmiany zajęcia orbity atomowej w materiale pięciotlenku wanadu po umieszczeniu filarów jonów amonowych pomiędzy warstwami oraz odwracalną ewolucję procesu ładowania i wyładowania.

 

Tutaj najpierw przedstawiamy podstawowe pojęcie struktury elektronowej.

 

W przypadku pierwiastków posiadających elektrony pozajądrowe, ich elektrony nie są zagracone, ale ułożone na orbitach. Co więcej, elektrony zawsze zajmują najpierw orbitale o niższej energii, czyli jądra w centrum, ułożone od środka na zewnątrz.

 

W przypadku wanadu pokazano poniżej układ elektronów walencyjnych, z pięcioma elektronami walencyjnymi w warstwie zewnętrznej. W pięciotlenku wanadu wszystkie pięć elektronów służy do wiązania się z atomami tlenu. W tym momencie orbital 3d wanadu jest pustym orbitalem, który nie jest zajęty przez elektrony.

 

 

3. Podwójna regulacja struktury kryształu i struktury elektronicznej sprawia, że ​​szybkie ładowanie i stabilny cykl stają się rzeczywistością

Dzięki zastosowaniu nowego materiału katody akumulator cynkowo-jonowy osiąga pojemność 101 mAh/g przy gęstości prądu 200°C, a ładowanie trwa tylko 18 s. Jednocześnie elektrolit wodny zapewnia również bezpieczeństwo procesu cyrkulacji i zmniejsza zanieczyszczenie środowiska.

 

W tym artykule odstępy między warstwami i stan zajęcia orbity materiałów warstwowych są projektowane i regulowane na podstawie struktury krystalicznej i struktury elektronowej materiałów. Jednocześnie, w połączeniu z zaawansowanymi środkami charakteryzacji promieniowania synchrotronowego, ewolucja struktury materiału jest bardziej intuicyjna i przejrzysta, dzięki czemu możliwy jest materiał elektrody dodatniej o charakterystyce szybkiego ładowania.

 

Być może w niedalekiej przyszłości takie materiały będą mogły znaleźć zastosowanie w produktach elektronicznych, a nawet transporcie publicznym. Znaczące skrócenie czasu ładowania może sprawić, że życie ludzi stanie się bardziej wydajne i wygodne; Bezpieczne i czyste materiały akumulatorowe mogą również zmniejszyć obciążenie środowiska. Uwierz, że technologia sprawi, że ten dzień będzie już niedaleko.